Магнитные свойства гидридов GdFe3 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.44.412

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ГИДРИДОВ СаГе3

И. С. Терешина*, С. А. Лушников, В. Н. Вербецкий

(кафедра химии высоких давлений)

В настоящей работе исследованы магнитные свойства ИМС GdFe3 и его гидридов состава GdFe3H4 0 и GdFe3H5 0. Установлено незначительное увеличение значения намагниченности у GdFe3H50 по сравнению с GdFe3H40. Внедрение атомов водорода в ИМС GdFe3 приводит к снижению температуры компенсации из-за более резкого снижение магнитного момента подрешетки РЗМ в гидридных фазах и уменьшения его вклада по сравнению с исходным ИМС.

Известно, что введение легких элементов внедрения, таких, как водород, в кристаллическую решетку интерметаллических соединений (ИМС) приводит к значительному изменению их магнитных свойств.

Соединение СйРе3 имеет кристаллическую структуру типа Ри№3 и упорядочивается ферримагнитно. Согласно литературным данным [1], это соединение образует гидрид с содержанием водорода 3,2 НГИМС при давлении до 30 атм и комнатной температуре.

Магнитные свойства гидридов ИМС типа ЯТ3 (Я -редкоземельный металл, Т - N1, Со, Бе) были изучены ранее в работах [2-5]. Исследования показали, что поглощение водорода приводит к возрастанию магнитного момента на атомах железа |.е и уменьшению температуры компенсации Ткомп. В данной работе изучены магнитные свойства гидрида состава GdFе3H50, синтезированного при высоком (до 2000 атм) давлении водорода [6]. Как было установлено в [6], адсорбция

водорода при высоком давлении протекает с равномерным поглощением водорода в интервале от 1 00 до 2000 атм с постепенным насыщением гидрида до состава GdFе3H50.

Экспериментальная часть

Интерметаллид GdFе3 б^1л получен из чистых металлов электродуговой плавкой в атмосфере аргона, с последующим отжигом в течение 240 ч при температуре 950° в вакууме. Синтез гидрида высокого давления (до 2000 атм) проводили на установке, описанной в работе [1], с рабочим интервалом температур от -95 до +300°. При тидри-ровании водород подавался под небольшим давлением (0,1 атм), последовательно до состояния насыщения гидрида, для предотвращения образования рентгеноаморф-ных продуктов. Содержание водорода в гидриде контролировали методом высокотемпературной вакуумной экстракции водорода.

*Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119899.

Рентгенофазовый анализ проводили на установке ДРОН-2 (Си-Ка, №-фильтр). Кривые намагничивания быши измерены в магнитных полях до 12 кЭ в интервале температур от 77 до 300 К с помощью маятникового магнитометра. Образцы были взяты в виде свободного порошка с размерами частиц до 40 мкм. Температура компенсации Ткомп была определена из температурной зависимости намагниченности, измеренной в магнитном поле 10 кЭ.

Результаты и обсуждение

Проведенный рентгенографический анализ показал, что полученный интерметаллид и гидриды состава СЛРе3Их (х = 4;5) являются однофазными. Результаты рентгенографического анализа ИМС и его гидридов приведены в таблице.

Рентгенографические данные для интерметаллида GdFe3 и его гидридов

Соединение а, с, У, "3 ДУ/У%

0(№ез 5,166-0,001 24,72-0,01 570,3

0(№езН4.о 5,382-0,001 26,88-0,01 674,3 18,2

0(№езН5.о 5,501-0,001 26,66-0,01 698,8 22,5

Приведенные в таблице значения периодов решетки хорошо согласуются с литературными данными для СЛРе3 [1] и 0^4,0 [8].

Образование гидридной фазы низкого давления до состава GdFe3H40 сопровождается увеличением объема кристаллической решетки ДУ/У на 18,2%. При повышении давления (до 2000 атм) наблюдалось дальнейшее поглощение водорода и формирование гидридной фазы высокого давления состава GdFе3H50. При этом общее увеличение объема кристаллической решетки ДУ/У составило 22,5%.

Таким образом, относительное увеличение объема кристаллической решетки гидридной фазы высокого давления (GdFе3H50) по сравнению с гидридной фазой низкого давления (GdFе3H40) составляет 4,3%.

Рис. 2. Полевая зависимость намагниченности соединения GdFе3H40 при Т = 80 и 295 К

Рис. 3. Полевая зависимость намагниченности соединения GdFе3H50 при Т = 80 и 295 К

Рис. 1. Полевая зависимость намагниченности соединения GdFе3 при Т=80 К и Т=295 К

Рис. 4. Концентрационная зависимость намагниченности насыщения соединений GdFе3Hх при Т = 80 К

Такое увеличение объема кристаллической решетки гидридов ИМС отразилось на их магнитных характеристиках.

На рис. 1-3 представлены кривые намагничивания GdFе3, GdFe3H40 и GdFe3H50, измеренные в полях до 12 кЭ, при 80 и 300 К. Из рисунков видно, что кривые намагничивания в данных полях практически выходят на

Рис. 5. Температурная зависимость намагниченности насыщения соединений GdFe3H x

Рис. 6. Концентрационная зависимость температуры магнитной компенсации соединений GdFе3H^ 1 - литературные данные [2], 2 - экспериментальные данные

магнитное насыщение и намагниченность перестает изменяться с увеличением поля.

График зависимости намагниченности от концентрации водорода при Т = 80 К представлен на рис. 4. Как видно из графика, при высоких концентрациях водорода (х = 4; 5) намагниченность практически не изменяется.

Тем не менее наблюдается сильное влияние водорода при увеличении его концентрации на температуру магнитной компенсации Ткош. На рис. 5 показана температурная зависимость намагниченности для всех изученных составов, измеренная в интервале температур 80-300 К в магнитном поле 10 кЭ. ИМС в^е3 в данном температурном

интервале не обнаруживает явление компенсации магнитных моментов, в то время как в гидридах с концентрациями водорода х = 4; 5 точка магнитной компенсации выражена довольно резко при температурах 158 и 133 К соответственно. Таким образом, установлено, что увеличение концентрации водорода на один атом (от состава в№е3Н40 до состава GdFе3H50) при высоких концентрациях водорода приводит к снижению температуры магнитной компенсации на 25 К.

Чтобы наглядно проследить за данной тенденцией, а именно уменьшением Ткош при увеличении концентрации водорода, мы построили концентрационную зависимость температуры магнитной компенсации (рис. 6). При малых концентрациях х (0; 1,5; 3) были использованы литературные данные, взятые из работы [2]. Как видно из графика, Ткош уменьшается с увеличением х, причем при малых концентрациях происходит более резкое уменьшение Ткома (так, при внедрении одного атома водорода температура компенсации уменьшается на 155 К), в то время как при высоких концентрациях эта тенденция заметно снижается.

Хорошо известно из литературных данных, что соединения типа ЯБе3 могут быть рассмотрены как двух-подрешеточные ферримагнетики, в которых магнитные моменты подрешеток Я и Бе антипараллельны друг другу и имеют разный ход температурной зависимости намагниченности о(Т). Для соединения GdFе3 Ткош имеет довольно высокое значение (~600 К), в то время как температура Кюри составляет 110 К, что обусловлено как большим значением магнитного момента подре-шетки гадолиния = 7 |в, так и высоким значением обменного поля, действующего на Я-подрешетку (^ ~5,7.106 Э [9]).

Внедрение атомов водорода сильно уменьшает ЯЕРе, вследствие чего с повышением температуры уменьшается более резко в гидридах, чем в исходном соединении GdFе3, поэтому, компенсация вкладов и |,е происходит при более низкой температуре.

Увеличение магнитного момента атомов железа в гидридах GdFе3 связывается как со смещением электрона от атома железа к атому водорода, так и со значительным увеличением межатомных расстояний в кристаллической решетке гидридов GdFе3. Изменение температуры компенсации при переходе от в№е3Н40 к GdFе3H50 полностью согласуется с этим представлением.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bechman C.A., Goudy A., Takeshita T., Wallace W.E., Craig R.S.

// Inorg. Chem. 1976. 15. Р. 2184.

2. Matsuda K., Yamaguchi M., Yamamoto I., Katori H.A., Goto T.,

Bartashevich M.I. // J. Alloys Comp. 1995. 231. Р. 201.

3. Buschow K.H.N. // J. Less Common Met. 1980. 72. Р. 257.

4. Buschow K.H.N., Sherwood R.C. // J. Appl. Phys. 1978. 49.

Р. 1480.

5. Wallace W.E., Malik S.K., Takeshita T., Sankar S.G., Gualtieri D.M. // J. Appl. Phys. 1978. 49. Р. 1486.

6. Lushnikov S.A., Klyamkin S.N., Verbetsky V.N. // International

symposium on metal hydrogen systems, MH2000. Abstracts, 1-6 October, Fundamentals and Applications. P. 26.

7. Klyamkin S.N., Verbetsky V.N. // J. Alloys and Comp. 1993. 194.

P. 41.

8. Эллиот Р.П. Структуры двойных сплавов. М., 1970.

9. Никитин С. А., Бислиев А.М. // ФТТ. 1973. 15. B^in. 12. С. 3681.

Поступила в редакцию 25.01.01